Warum verbraucht eine Pumpe so viel Strom? 8 Wege, den Energieverbrauch zu senken

Ein überhöhter Verbrauch bedeutet, dass das Verhältnis zwischen der elektrischen Leistung der Pumpe und der von der Anlage benötigten hydraulischen Leistung gestört ist. In einer gesunden Anlage mit Kreiselpumpe beträgt die aus dem Netz aufgenommene Leistung etwa das 1,4- bis 1,7-Fache der hydraulischen Leistung. Liegt dieses Verhältnis über 2,5, gibt es Verluste, und ihr Ort wird durch Zahlen gefunden, nicht durch Schätzung.

Die Diagnose umfasst vier Schritte, und ihre Reihenfolge ist unveränderlich. Erster Schritt: Halten Sie den tatsächlichen Betriebspunkt der Anlage fest, also Volumenstrom in m³/h und Förderhöhe in mWS. Zweiter Schritt: Lesen Sie aus der Kennlinie der Pumpe den Wirkungsgrad an diesem Punkt ab und berechnen Sie die erwartete Wellenleistung. Dritter Schritt: Messen Sie den Strom mit einem Zangenstrommesser und ermitteln Sie so die tatsächlich aus dem Netz aufgenommene Leistung. Vierter Schritt: Vergleichen Sie die beiden Werte und verteilen Sie die Differenz auf die acht Ursachen.

Wird diese Reihenfolge übersprungen, wird das falsche Teil getauscht. Am häufigsten stellen wir Folgendes fest: Der Kunde hat den Motor vergrößert, weil man die Pumpe für zu schwach hielt – dabei war der Filter verstopft. Am zweithäufigsten wurde die Pumpe getauscht, ohne die Anlage jemals zu messen. Um sich in Erinnerung zu rufen, wie die Pumpenauswahl erfolgt, lohnt sich ein Blick auf die Auswahllogik (Details: Wie erfolgt die Pumpenauswahl? Ratgeber zur Berechnung von Volumenstrom und Förderhöhe).

Die Liste der benötigten Messgeräte ist kurz: Zangenstrommesser, Manometer (vorzugsweise je zwei auf der Saug- und auf der Druckseite), ein Ultraschall-Durchflussmesser oder ein kalibrierter Zähler und ein Infrarotthermometer. Mit diesen vier Geräten lässt sich der energetische Zustand einer Pumpe in zwei Stunden bestimmen. Wenn eine Dauerüberwachung gewünscht ist, wird im Schaltschrank ein Energieanalysator eingebaut und eine Woche lang der Fünfzehn-Minuten-Mittelwert aufgezeichnet.

Der energetische Zustand einer Pumpe lässt sich an einem einzigen Arbeitstag bestimmen. Das Protokoll besteht aus acht Schritten, und das Ergebnis jedes Schritts ist eine Zahl. Am Ende liegen Ihnen die erwartete Leistung, die gemessene Leistung, die Differenz und deren Verteilung vor.

• Schritt 1 — Fotografieren Sie das Typenschild der Pumpe: Modell, Nennvolumenstrom, Förderhöhe, Motorleistung, Effizienzklasse, cosφ, Nennstrom
• Schritt 2 — Messen Sie den tatsächlichen Betriebspunkt: Volumenstrom in m³/h mit dem Ultraschall-Durchflussmesser, Förderhöhe in mWS mit den Manometern auf der Saug- und Druckseite
• Schritt 3 — Berechnen Sie die erwartete Leistung: P = Q×H/(367×η), mit dem aus der Herstellerkennlinie abgelesenen Wirkungsgrad
• Schritt 4 — Ermitteln Sie die gemessene Leistung: Strom der drei Phasen mit dem Zangenstrommesser, P = √3 × U × I × cosφ
• Schritt 5 — Geben Sie die Differenz in Prozent an: (gemessen − erwartet)/erwartet; 25 Prozent darüber ist die Untersuchungsschwelle
• Schritt 6 — Prüfen Sie die Drosselventile: Notieren Sie den Δp-Wert jedes Ventils; jede Position über 2 mWS wird geöffnet
• Schritt 7 — Messen Sie die Druckdifferenzen an Filtern und Wärmeübertragern: Jede Stelle, die sich gegenüber dem sauberen Wert verdoppelt, kommt auf die Reinigungsliste
• Schritt 8 — Erfassen Sie die Jahresbetriebsstunden und das Lastprofil: Eine Woche Aufzeichnung im Fünfzehn-Minuten-Raster ist die einzig gültige Grundlage für die Entscheidung über einen Frequenzumrichter

Das Ergebnis des Protokolls ist eine einseitige Energiebilanz: erwartete kW, gemessene kW, Differenz in kW, Jahresverbrauch in kWh/Jahr, Verbesserungspositionen und die Einsparung jeder Position in kWh/Jahr. Ein Pumpentausch ohne diese Bilanz ist ein Glücksspiel, ein Tausch mit Bilanz dagegen Ingenieurarbeit.

Auch die Wiederholung der Messung gehört zum Protokoll. Nach der Verbesserung werden dieselben vier Schritte wiederholt und die Differenz wird bestätigt. Fälle, in denen die angegebene Einsparung nicht eintritt, sind vor Ort nicht selten; die häufigste Ursache ist, dass sich bei der Verbesserung auch die Anlagenlast verändert hat. Deshalb muss die Messung vorher und nachher bei derselben Außentemperatur und unter denselben Nutzungsbedingungen erfolgen.

Die hydraulische Leistung ist die Nutzleistung, die die Pumpe an das Wasser abgibt, und wird mit der Beziehung P_h = Q×H/367 in kW ermittelt. Die Konstante 367 ergibt sich aus der Dichte des Wassers von 1000 kg/m³ und der Umrechnung der Einheiten mit der Erdbeschleunigung; Q wird in m³/h, H in mWS eingesetzt. Die Wellenleistung erhält man, indem man die hydraulische Leistung durch den Pumpenwirkungsgrad teilt: P_Welle = Q×H/(367×η).

Beispiel: Im Primärkreis eines Kaltwassersatzes wurden ein Volumenstrom von 40 m³/h und eine Förderhöhe von 35 mWS gemessen. Die hydraulische Leistung ergibt sich zu 40×35/367 = 3,81 kW. Wird aus der Pumpenkennlinie an diesem Punkt ein Wirkungsgrad von 72 Prozent abgelesen, beträgt die Wellenleistung 3,81/0,72 = 5,29 kW. Der Motorwirkungsgrad eines 7,5-kW-Motors der Klasse IE3 liegt nahe Volllast bei etwa 90 Prozent; die erwartete Leistungsaufnahme aus dem Netz beträgt 5,29/0,90 = 5,88 kW.

Diese 5,88 kW sind eine Referenz nahe dem besten für diesen Betriebspunkt erreichbaren Wert. Liegt der gemessene Wert 10–15 Prozent darüber, ist er im Toleranzbereich; liegt er 25 Prozent oder mehr darüber, gibt es einen Verlust, den es zu untersuchen gilt. Ein bei der Berechnung häufig übersehener Punkt ist die Dichte des Fördermediums: Bei 30 Prozent Ethylenglykol liegt die Dichte in der Größenordnung von 1045 kg/m³, und die hydraulische Leistung steigt um etwa 4,5 Prozent.

Die Messung der Förderhöhe ist die fehleranfälligste Stelle der Berechnung. Der richtige Wert ergibt sich aus der Differenz der Druck- und Saugmanometer zuzüglich des Höhenunterschieds. Eine Ablesung mit nur einem Manometer lässt die positive Zulaufhöhe auf der Saugseite außer Acht, zeigt daher eine zu große Förderhöhe an und bläht die Berechnung auf. Wenn der Zusammenhang zwischen mWS und bar Verwirrung stiftet, sollten Sie die Einheitenumrechnung auffrischen (Details: Was ist mWS bei Pumpen? Wie viel bar sind 10 mWS?). Auch beim Volumenstrom gibt es eine ähnliche Falle: Der tatsächliche Volumenstrom entspricht in den meisten Gebäuden nicht dem Volumenstrom im Projekt (Details: Wie berechnet man den Pumpenvolumenstrom? m³/h, l/min und Druckberechnung).

Die tatsächlich aus dem Netz aufgenommene Leistung wird bei einem Drehstrommotor mit der Formel P = √3 × U × I × cosφ berechnet. U ist die Spannung zwischen den Phasen (Volt), I der Leiterstrom (Ampere), cosφ der Leistungsfaktor. Bei einer einphasigen Pumpe vereinfacht sich die Formel zu P = U × I × cosφ. Das Ergebnis liegt in Watt vor und wird durch Teilen durch 1000 in kW umgerechnet.

Im selben Beispiel ergibt die Strommessung mit dem Zangenstrommesser einen Mittelwert der drei Phasen von 12,5 A, die Spannung beträgt 400 V und der vom Motortypenschild abgelesene cosφ bei Volllast 0,85. Daraus folgt P = 1,732 × 400 × 12,5 × 0,85 = 7.361 W, d. h. 7,36 kW. Die Differenz zwischen den erwarteten 5,88 kW und den gemessenen 7,36 kW beträgt 1,48 kW; das sind 25 Prozent des erwarteten Werts und eine Abweichung, die untersucht werden muss.

Zu cosφ gibt es zwei Hinweise. Erstens ist der cosφ auf dem Typenschild der Volllastwert; läuft der Motor bei halber Last, fällt der tatsächliche cosφ in den Bereich 0,60–0,70, und bei Verwendung des Typenschildwerts wird die Leistung zu groß berechnet. Zweitens ist bei Anlagen mit Frequenzumrichter eine Messung mit dem Zangenstrommesser am Umrichterausgang nicht aussagekräftig; die Messung muss am Netzeingang des Umrichters erfolgen, oder es wird direkt der kW-Wert am Display des Umrichters abgelesen.

Auch eine Unsymmetrie zwischen den Strömen der drei Phasen ist ein Störungsanzeichen. Übersteigt die Differenz zwischen den Phasen 5 Prozent des Mittelwerts, liegt eine Spannungsunsymmetrie oder ein Wicklungsproblem vor; eine Unsymmetrie von 10 Prozent erhöht die Motorverluste um etwa 8–10 Prozent und die Wicklungstemperatur um 10–15 K. Das ist für sich genommen eine Energieverlustposition und verkürzt zudem die Lebensdauer des Motors. Notieren Sie bei der Messung auch die Temperatur des Motorgehäuses; ein Gehäuse, das 50 K über die Umgebungstemperatur steigt, ist selbst ein Wirkungsgradverlust.

Der jährliche Energieverbrauch ist das Produkt aus mittlerer aufgenommener Leistung und jährlichen Betriebsstunden: E = P_mittel × t. Eine im Dauerbetrieb laufende Umwälzpumpe kommt in der Heizperiode typischerweise auf 4.500–6.000 Stunden, eine Druckerhöhungsanlage auf 1.200–2.500 Stunden, die Primärpumpe eines Kaltwassersatzes auf 2.000–3.500 Stunden. Diese Stunden schwanken von Gebäude zu Gebäude; für den genauen Wert werden der Betriebsstundenzähler der Pumpe oder die Aufzeichnung der Automation herangezogen.

Nimmt die Pumpe im Beispiel 7,36 kW auf und läuft 6.000 Stunden im Jahr, beträgt der Verbrauch 7,36 × 6.000 = 44.160 kWh/Jahr. Wird dieselbe Pumpe auf die erwarteten 5,88 kW gebracht, sinkt der Verbrauch auf 35.280 kWh/Jahr. Die Differenz beträgt 8.880 kWh/Jahr; das ist etwa das Dreifache des jährlichen Stromverbrauchs einer durchschnittlichen Wohnung. In der Diskussion über den Pumpenenergieverbrauch beschleunigt ein solcher Größenvergleich die Entscheidung.

Bei Anlagen mit veränderlichem Volumenstrom ist es irreführend, mit einem einzigen Leistungswert zu multiplizieren. Das richtige Verfahren besteht darin, die Last in vier bis fünf Bänder zu unterteilen und die Stunden jedes Bands getrennt zu gewichten. In einer typischen Komfortanlage sieht die Verteilung über das Jahr so aus: bei 100 Prozent Last 6 Prozent der Zeit, bei 75 Prozent Last 15 Prozent, bei 50 Prozent Last 35 Prozent, bei 25 Prozent Last 44 Prozent. Diese Verteilung erklärt auch, warum die Drehzahlregelung so viel einspart; die Anlage verbringt rund 80 Prozent ihrer Zeit unterhalb der halben Last.

Die Beurteilung der Amortisation anhand von kWh macht die Rechnung unabhängig von Tarifänderungen. Beträgt die Einsparung einer Verbesserung 8.880 kWh/Jahr und bestehen die Kostenpositionen der auszuführenden Arbeit aus Umrichter, Schaltschrankumbau, Verkabelung, Inbetriebnahme und EMV-Filter, setzt die entscheidende Person ihren eigenen aktuellen Einheitspreis ein und erhält die Zeit. Für den allgemeinen Rahmen von Energieeffizienzmaßnahmen ist ein umfassender Überblick nützlich (Details: Energieeffizienz in mechanischen Anlagen).

Überdimensionierung bedeutet, dass die Pumpe größer gewählt wurde als der tatsächliche Bedarf, und sie ist im Feld die häufigste Ursache für Mehrverbrauch. In der Planungsphase werden dem Volumenstrom 15 Prozent und der Förderhöhe 20 Prozent Sicherheitszuschlag aufgeschlagen; dann geht der Installateur auf ein größeres Modell; im Ergebnis arbeitet die Anlage mit einer Pumpe, die 40–50 Prozent über dem Bedarf liegt. Diese Pumpe arbeitet auf ihrer Kennlinie irgendwo links oder rechts vom Punkt des höchsten Wirkungsgrads, also des BEP, und ihr Wirkungsgrad sinkt.

Der zu messende Wert ist das Verhältnis des tatsächlichen Betriebspunkts zum BEP. Liegt das Verhältnis Q/Q_BEP im Bereich 0,70–1,10, befindet sich die Pumpe im gesunden Bereich. Fällt dieses Verhältnis unter 0,50, sinkt der Wirkungsgrad typischerweise um 8–15 Punkte; eine Pumpe, die mit 75 Prozent Wirkungsgrad arbeiten könnte, arbeitet mit 60 Prozent und nimmt für dieselbe Aufgabe etwa 25 Prozent mehr Leistung auf. Steigt das Verhältnis über 1,25, verengt sich diesmal die NPSH-Marge, und es entsteht ein Kavitationsrisiko (Details: Was ist Pumpenkavitation? Das Problem, das Pumpen leise zerstört).

Die Abhilfe folgt dieser Reihenfolge. Die erste Option ist das Abdrehen des Laufrads: Das Laufrad der vorhandenen Pumpe wird bis auf den im Herstellerkatalog zulässigen kleinsten Durchmesser abgedreht. Verkleinert sich der Durchmesser um 10 Prozent, sinken der Volumenstrom um etwa 10 Prozent, die Förderhöhe um 19 Prozent und die Leistung um 27 Prozent. Die zweite Option ist die Drehzahlreduzierung, die mit einem Umrichter oder durch einen Riemenscheibentausch erfolgt. Die dritte Option ist der Austausch gegen eine kleinere Pumpe; sie kommt erst in Betracht, wenn die ersten beiden nicht ausreichen.

Das erwartete Einsparband beträgt 15–30 Prozent. Beispiel: In einer Anlage, die statt 40 m³/h tatsächlich nur 28 m³/h benötigt, sank die gemessene Leistung nach dem Abdrehen des Laufrads von 7,36 kW auf 5,10 kW; bei 6.000 Stunden im Jahr wurden 13.560 kWh/Jahr eingespart. Zur Feststellung einer Überdimensionierung genügt es, den Nennvolumenstrom auf dem Pumpentypenschild neben den mit dem Ultraschall-Durchflussmesser gemessenen Wert zu legen; liegt zwischen beiden Werten mehr als 30 Prozent Unterschied, wird eine Akte angelegt.

Drosselung über ein Ventil bedeutet, überschüssige Förderhöhe zu vernichten, indem sie am Ventil in Druckverlust umgewandelt wird; für die aufgewendete Energie gibt es keine Gegenleistung. Das Druckgefälle am gedrosselten Ventil wird direkt in Wärme umgewandelt; das Wasser erwärmt sich um wenige hundertstel Grad, der Stromzähler läuft, die Anlage hat keinerlei Nutzen. Die Antwort auf die Frage, ob Drosseln über ein Ventil Strom verbraucht, ist eindeutig: Ja, der gesamte gedrosselte Druck ist bezahlte und weggeworfene Energie.

Die Messung ist einfach. Setzen Sie je ein Manometer an den Eintritt und den Austritt des Drosselventils und lesen Sie die Differenz ab. Beträgt die Differenz 6 mWS und der Volumenstrom 40 m³/h, so beträgt die am Ventil aufgewendete hydraulische Leistung 40×6/367 = 0,65 kW. Bei einem Pumpenwirkungsgrad von 72 Prozent und einem Motorwirkungsgrad von 90 Prozent entspricht das aus dem Netz 0,65/(0,72×0,90) = 1,00 kW. Bei 6.000 Stunden im Jahr gehen 6.000 kWh/Jahr allein für das Drosseln eines einzigen Ventils drauf.

Vor Ort begegnen uns Drosselventile an drei Stellen: die Absperrklappe am Pumpenausgang, die Strangregulierventile am Verteiler und die Bypassstränge von Dreiwegeventilen. Sie alle sind nicht gleich schlecht. Das Strangregulierventil ist erforderlich, um den Volumenstrom auf die Kreise zu verteilen, und lässt sich nicht vollständig entfernen; dynamische Strangregulierventile verringern den Verlust jedoch, indem sie den Volumenstrom automatisch begrenzen, statt fest zu drosseln (Details: Was ist ein Danfoss-Strangregulierventil und warum wird es in Heiz- und Kühlsystemen eingesetzt?).

Die Abhilfe besteht darin, das Drosseln durch Drehzahlabsenkung zu ersetzen. Öffnen Sie das Ventil vollständig und erreichen Sie denselben Volumenstrom, indem Sie die Frequenz am Umrichter absenken. Das erwartete Einsparband beträgt 10–25 Prozent und ist direkt proportional zum Anteil des gedrosselten Drucks an der gesamten Förderhöhe. Liegt die Drosselung über 20 Prozent, rechtfertigt allein sie die Investition in einen Umrichter. Für die Ventilauswahl und die Logik des Regelventils sollten Sie auch die Ventilseite betrachten (Details: Ventile & Armaturen).

Eine drehzahlkonstante Pumpe dreht bei jeder Last mit derselben Drehzahl, und den überschüssigen Volumenstrom nimmt die Anlage durch ihren eigenen Widerstand oder durch ein Ventil auf. Der Frequenzumrichter passt die Drehzahl an die Last an, indem er die Speisefrequenz des Motors ändert. Die Größe der Einsparung ergibt sich aus den Affinitätsgesetzen: Der Volumenstrom ist proportional zur Drehzahl, die Förderhöhe ändert sich mit dem Quadrat der Drehzahl und die Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl.

Die Zahlen sind eindrucksvoll. Sinkt die Drehzahl auf 80 Prozent, sinken der Volumenstrom auf 80 Prozent, die Förderhöhe auf 64 Prozent und die Leistung auf 0,8³ = 0,512, also auf 51 Prozent. Eine Drehzahlreduzierung um 20 Prozent senkt die Leistung also etwa um die Hälfte. Sinkt die Drehzahl auf 50 Prozent, fällt die Leistung bis auf 12,5 Prozent. Deshalb wird die Frage, was ein Frequenzumrichter an einer Pumpe einspart, anhand des Lastprofils der Anlage beantwortet.

Beispielrechnung: Eine Pumpe mit 7,36 kW Leistungsaufnahme verbringt 44 Prozent der Zeit bei 25 Prozent Volumenstrom, 35 Prozent bei 50 Prozent Volumenstrom, 15 Prozent bei 75 Prozent Volumenstrom und 6 Prozent beim vollen Volumenstrom. In einem geschlossenen Kreis, in dem die statische Förderhöhe vernachlässigbar ist, ergibt sich die gewichtete Leistung wie folgt: 0,44×0,016 + 0,35×0,125 + 0,15×0,42 + 0,06×1,00 = 0,17. Das heißt, die mittlere Leistung beträgt etwa 17 Prozent der Volllastleistung; in einer Anlage ohne Umrichter bleibt dieser Wert in der Größenordnung von 85–95 Prozent. Der Jahresunterschied kann 30.000 kWh/Jahr übersteigen.

In Anlagen mit statischer Förderhöhe ist die Einsparung kleiner. In einer Druckerhöhungsanlage stammt der größte Teil der Förderhöhe aus der Geschosshöhe und lässt sich durch Drehzahlabsenkung nicht beseitigen; in diesen Anlagen liegt die Einsparung im Bereich von 20–40 Prozent. In geschlossenen Heiz- und Kühlkreisen steigt sie auf 40–60 Prozent. Auf Umrichterseite bringen Modelle mit Spezialsoftware für Pumpenanwendungen wie der Danfoss VLT AQUA Drive Funktionen wie Schlafmodus, Trockenlaufschutz und Rohrfüllrampe bereits mit (Details: Pumpe mit Frequenzumrichter: Was ist das? Spart sie wirklich Strom?).

Die Motoreffizienzklasse bestimmt unmittelbar, wie viel Strom aus dem Netz aufgenommen wird, um dieselbe Wellenleistung zu erzeugen. Die kurze Antwort auf die Frage, was ein IE1-Motor ist: die niedrigste Effizienzklasse, die nicht mehr in Verkehr gebracht wird; IE3 ist Premium, IE4 Super-Premium, und IE5 ist die höchste Klasse, die mit permanentmagneterregten Technologien erreicht wird. Bei einem 7,5-kW-Motor liegt der Wirkungsgrad bei IE1 bei etwa 88 Prozent, bei IE3 bei 91,7 Prozent und bei IE5 bei 93,5 Prozent.

Der Unterschied wirkt klein, ist aber über die Verluste betrachtet groß. Bei IE1 betragen die Verluste 7,5×(1/0,88 − 1) = 1,02 kW, bei IE3 0,68 kW, bei IE5 0,52 kW. Der Wechsel von IE1 auf IE3 verringert die Verluste um etwa ein Drittel. Bei 6.000 Betriebsstunden beträgt der Unterschied zwischen IE1 und IE3 0,34 kW × 6.000 = 2.040 kWh/Jahr. Beim Wechsel auf IE5 nähert sich der Unterschied 3.000 kWh/Jahr.

Neu gewickelte Motoren sind ein eigenes Thema. Wird ein ausgebrannter Motor neu gewickelt und entsprechen Wicklungsgeometrie und Drahtquerschnitt nicht exakt dem Original, sinkt der Wirkungsgrad um 1–3 Punkte. Ein zweimal neu gewickelter IE3-Motor fällt in der Praxis auf das Niveau von IE1. Die Effizienzklasse auf dem Motortypenschild zusammen mit dem Datum auf dem Wicklungsschild zu lesen, ist der schnellste Weg, diesen Verlust zu erkennen.

Nassläuferpumpen mit permanentmagneterregtem Synchronmotor erreichen bei kleinen Leistungen einen deutlich höheren Wirkungsgrad. Grundfos MAGNA3 und Wilo Stratos MAXO sind typische Beispiele dieser Klasse; beide kommen mit integriertem Umrichter und einer Hydraulik mit niedrigem EEI-Wert. Im Wohnungsbau senkt die Grundfos ALPHA2 den Verbrauch, wenn sie eine alte dreistufige Pumpe mit konstanter Drehzahl ersetzt, vom Bereich 60–80 W auf den Bereich 5–25 W (Details: Was ist die Grundfos MAGNA3? Unterschiede zwischen MAGNA1 und MAGNA3).

Ein verstopfter Schmutzfänger oder ein verschmutzter Wärmeübertrager erhöht den Anlagenwiderstand und macht die Anlagenkennlinie steiler. Der Schnittpunkt von Pumpenkennlinie und Anlagenkennlinie wandert nach links: Der Volumenstrom sinkt, die Förderhöhe steigt. Das Ergebnis ist zweiseitig; die Anlage erhält nicht den erforderlichen Volumenstrom, und die Pumpe verlässt den BEP und verliert an Wirkungsgrad.

Der zu messende Wert ist die Druckdifferenz zwischen Ein- und Austritt des Filters. Bei einem sauberen Y-Schmutzfänger beträgt die Differenz beim Auslegungsvolumenstrom typischerweise 0,2–0,5 mWS. Übersteigt die Differenz 1,5 mWS, muss der Filter gereinigt werden; erreicht sie 3 mWS, ist die Verstopfung ernst. Dieselbe Messung wird auch am Plattenwärmeübertrager durchgeführt: Ein Druckverlust, der sich gegenüber dem Katalogwert des Herstellers verdoppelt, weist auf Kalk- oder Biofilmablagerungen hin.

Der Energiegegenwert lässt sich direkt berechnen. Beträgt der zusätzliche Verlust am Filter 2 mWS und der Volumenstrom 40 m³/h, so ergeben sich eine zusätzliche hydraulische Leistung von 40×2/367 = 0,22 kW und ein Gegenwert aus dem Netz von etwa 0,34 kW. Bei 6.000 Stunden im Jahr sind das 2.040 kWh/Jahr, und die Anlage gewinnt dafür nichts. Die Reinigung dauert eine Stunde, die Einsparung beginnt am ersten Tag.

Die dauerhafte Lösung ist die Wasseraufbereitung. In geschlossenen Kreisen verringern ein Schlammabscheider mit Magnet und ein Mikroblasenabscheider die Häufigkeit der Filterverstopfung spürbar. In offenen Kreisen und bei Brunnenwasser unterbindet eine Vorfiltration die Sand- und Sedimentlast (Details: Wasseraufbereitung). Die Messung der Filterdruckdifferenz in den Wartungsplan aufzunehmen, schließt diesen Verlust dauerhaft (Details: Pumpenwartung).

Innere Leckage bedeutet, dass ein Teil des von der Pumpe geförderten Wassers durch den Spalt zwischen Laufrad und Gehäuse zurück auf die Saugseite strömt. Dieses Wasser wurde beschleunigt, mit Energie versehen und fließt dann zurück; die aufgewendete Energie ist vollständig verloren. Verdoppelt sich das Spaltspiel der Verschleißringe gegenüber der Herstellertoleranz, sinkt der Pumpenwirkungsgrad typischerweise um 5–10 Punkte.

Das Anzeichen ist, dass die Förderhöhe bei gleicher Drehzahl mit der Zeit abnimmt. Liefert eine Pumpe, die bei der Inbetriebnahme bei 40 m³/h 35 mWS erbrachte, drei Jahre später beim selben Volumenstrom 31 mWS, liegt ein Leistungsverlust von etwa 11 Prozent vor. Dieser Verlust führt dazu, dass die Pumpe mit höherer Drehzahl laufen muss, damit die Anlage dieselbe Aufgabe erfüllt, und da die Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl steigt, erhöht sich der Verbrauch um 15–20 Prozent.

Für den Verschleiß gibt es zwei typische Ursachen: abrasive Feststoffe und Kavitation. In sandhaltigem Brunnenwasser werden die Laufradkanten stumpf und die Rauheit nimmt zu; bei Kavitation zeigt sich am Laufradeintritt typischerweise eine schwammartige Auskolkung der Oberfläche. Die Messmethode besteht darin, die Pumpe zu demontieren und das Spaltspiel der Verschleißringe mit dem Messschieber zu messen; bei einer Kreiselpumpe im Bereich DN 65–100 liegt das radiale Spiel im Bereich 0,25–0,40 mm, und ab 0,70 mm ist ein Austausch erforderlich.

Die Abhilfe besteht im Austausch der Verschleißringe oder in der Erneuerung des Laufrads; ist auch das Gehäuse verschlissen, werden Gehäuseverschleißringe eingebaut. Das erwartete Einsparband beträgt 5–15 Prozent. Bei der Pumpe im Beispiel senkt eine Wirkungsgradverbesserung um 10 Prozent die 7,36 kW auf 6,62 kW und spart bei 6.000 Stunden 4.440 kWh/Jahr. Den inneren Aufbau der Kreiselpumpe und die Aufgabe der einzelnen Teile zu kennen, erleichtert diese Entscheidung (Details: Was ist eine Kreiselpumpe? Funktionsprinzip und Einsatzbereiche).

Die Regelungsart bestimmt, nach welcher Regel eine Pumpe mit Umrichter ihre Drehzahl ändert. In der Betriebsart Konstantkennlinie dreht die Pumpe mit konstanter Drehzahl, und der Umrichter bringt keinerlei Einsparung. In der Betriebsart Δp-c hält die Pumpe die Förderhöhe auch bei wechselndem Volumenstrom konstant. In der Betriebsart Δp-v wird die Förderhöhe dagegen mit abnehmendem Volumenstrom linear bis auf die Hälfte des Sollwerts abgesenkt.

Der Unterschied zeigt sich im Teillastbetrieb. In einem Heizkreis mit Thermostatventilen an den Heizkörpern sinkt der Volumenstrom, wenn die Ventile schließen; bei Konstantkennlinie nimmt die Pumpe weiterhin dieselbe Leistung auf, bei Δp-c sinkt die Leistung proportional zum Volumenstrom, und bei Δp-v sinkt sie am schnellsten, weil sowohl Volumenstrom als auch Förderhöhe abnehmen. Δp-v bringt gegenüber Δp-c typischerweise 20–30 Prozent zusätzliche Einsparung.

Zahlenbeispiel: Eine MAGNA3 32-100 mit 550 W Leistungsaufnahme nimmt bei 50 Prozent Volumenstrom bei Konstantkennlinie etwa 430 W, bei Δp-c 250 W und bei Δp-v 165 W auf. In einer Heizperiode von 5.000 Stunden beträgt der Unterschied zwischen Konstantkennlinie und Δp-v etwa 1.325 kWh/Jahr. Ein erheblicher Teil der Beschwerden, eine Umwälzpumpe verbrauche viel Strom, rührt daher, dass eine Pumpe mit Umrichter ab Werk in der Betriebsart Konstantkennlinie belassen wurde.

Die Regel zur Auswahl der Betriebsart ist eindeutig. Wählen Sie Δp-v in Heizkörperkreisen mit Thermostatventilen und in Fan-Coil-Kreisen mit Zweiwege-Regelventilen. In Systemen, deren Kreiswiderstand sich weniger ändert, wie der Fußbodenheizung, und bei langen Hauptleitungen ist Δp-c geeignet. Der Sollwert wird auf den berechneten Druckverlust des entferntesten Kreises eingestellt; er wird nicht auf dem höchsten Wert der Werkseinstellung belassen. Das Verbrauchsverhalten von Umwälzpumpen sollte zusätzlich gesondert betrachtet werden (Details: Stromverbrauch der Umwälzpumpe: Wie viel Einsparung bringt der Austausch einer alten Pumpe?).

Eine Pumpe, die nicht läuft, verbraucht null kWh; das ist die günstigste Verbesserung auf der Liste. Die häufigste Verschwendung, die wir vor Ort sehen, ist, dass die Heizungsumwälzpumpe den ganzen Sommer über weiterläuft; am zweithäufigsten laufen die Pumpen in Bürogebäuden nachts und am Wochenende mit voller Leistung. Beides lässt sich allein durch eine Einstellung in der Automation lösen, ganz ohne Änderung an der Hardware.

Die Rechnung ist unmittelbar. Läuft eine Heizungsumwälzpumpe mit 1,5 kW Leistungsaufnahme in den Sommermonaten 120 Tage lang 24 Stunden, werden 1,5 × 2.880 = 4.320 kWh/Jahr verbraucht, und es wird dafür keinerlei Heizleistung erbracht. In einem Bürogebäude sind von den 168 Wochenstunden 45 Stunden ohne Nutzung; werden die Pumpen in dieser Zeit in den Nachtbetrieb geschaltet, senkt das den Verbrauch um 20–25 Prozent.

Bei modernen Pumpen ist die erforderliche Funktion bereits vorhanden. AUTOADAPT und ähnliche automatische Einstellmodi lernen den Bedarf der Anlage und senken den Sollwert selbstständig ab; die Nachtabsenkungsfunktion erkennt den Rückgang der Mediumtemperatur und geht auf die Mindestdrehzahl zurück. Diese Funktionen bleiben in den meisten Anlagen unaktiviert. Im Inbetriebnahmeprotokoll muss dieses Kästchen angekreuzt sein.

Bei Druckerhöhungsanlagen entspricht dem der richtige Vordruck des Behälters und der richtige Einschaltbereich. Ein Ausdehnungsgefäß mit abgefallenem Vordruck lässt die Pumpe mehrere Dutzend Mal pro Minute anlaufen; deshalb steigt die Stromrechnung der Druckerhöhungsanlage, und der Motor erwärmt sich. Der Vordruck des Behälters wird etwa 0,2 bar unter dem Einschaltdruck eingestellt und einmal im Jahr kontrolliert. Für das Dauerlaufen einer Druckerhöhungsanlage gibt es eigene Ursachen (Details: Druckerhöhungsanlage läuft ständig und schaltet nicht ab: 10 mögliche Ursachen und Lösungen).

Der MEI ist der Mindesteffizienzindex, der die hydraulische Effizienz von Wasserpumpen angibt, und eine Zahl zwischen 0 und 1. Im Rahmen der Verordnung ErP 641/2009 wird für auf dem europäischen Markt bereitgestellte Kreiselpumpen für Wasser die Anforderung MEI ≥ 0,40 gestellt. Eine Pumpe mit MEI 0,70 arbeitet am selben Punkt typischerweise mit 3–6 Punkten höherem Wirkungsgrad als eine mit MEI 0,40.

Der EEI dagegen ist der Energieeffizienzindex von Umwälzpumpen, und ein niedriger Wert ist gut. Bei Nassläufer-Umwälzpumpen im Anwendungsbereich von EN 16297 liegt der Grenzwert bei EEI ≤ 0,23; bei einer guten Hocheffizienzpumpe sinkt der EEI in den Bereich 0,17–0,20. Der Unterschied zwischen EEI 0,23 und 0,18 entspricht bei einer Pumpe der Klasse 5 Kubikmeter pro Stunde in einer Saison von 5.000 Stunden etwa 150–250 kWh/Jahr.

Beim Lesen des Typenschilds sind drei Punkte zu beachten. Erstens beschreibt der MEI die Hydraulik der Pumpe, nicht die Effizienzklasse des Motors; beides sind getrennte Zeilen. Zweitens erfolgt die EEI-Angabe nach einem bestimmten Referenzlastprofil, und die im realen Gebäude erzielte Einsparung hängt von der richtigen Wahl der Regelungsart ab. Drittens gibt es Pumpentypen, die außerhalb des Geltungsbereichs der ErP liegen; Feuerlöschpumpen gehören dazu, und auf ihrem Typenschild wird keine MEI-Angabe verlangt (Details: Brandschutz).

Bei der Kaufentscheidung werden diese drei Zahlen gemeinsam gelesen: der MEI, die Effizienzklasse des Motors und der Wirkungsgrad der Pumpe im tatsächlichen Betriebspunkt. Wird eine Pumpe mit hohem MEI am falschen Punkt betrieben, verbraucht sie mehr als eine Pumpe mit niedrigem MEI, die richtig ausgewählt wurde. Die Reihenfolge lautet: zuerst der richtige Punkt, dann ein hoher MEI, dann ein Motor mit hoher Effizienzklasse. Um sich die Typenschildangaben der geführten Marken gesammelt anzusehen, kann die Markenseite genutzt werden (Details: unsere Markenseite).

Die acht Ursachen haben nicht alle dasselbe Gewicht. Die folgende Liste gibt jede Ursache mit drei Angaben an: zu messender Wert, erwartetes Einsparband und Aufwand der Maßnahme. Bei der Entscheidung werden zuerst die Maßnahmen mit geringem Aufwand und hoher Einsparung umgesetzt; Umrichter und Pumpentausch bleiben für zuletzt.

• Überdimensionierung — Messung: Verhältnis Q/Q_BEP, Ziel 0,70–1,10; Einsparung: 15–30 Prozent; Aufwand: mittel, Abdrehen des Laufrads oder Drehzahlreduzierung erforderlich
• Drosselung über Ventile — Messung: Δp am Ventil, Schwelle 2 mWS; Einsparung: 10–25 Prozent; Aufwand: gering, Ventil wird geöffnet und die Drehzahl abgesenkt
• Drehzahlkonstanter Betrieb — Messung: Lastprofil und Teillaststunden; Einsparung: im geschlossenen Kreis 40–60 Prozent, in Anlagen mit statischer Förderhöhe 20–40 Prozent; Aufwand: hoch, Arbeiten an Umrichter und Schaltschrank
• Ineffizienter Motor — Messung: Effizienzklasse auf dem Typenschild und Wicklungsschild; Einsparung: 3–8 Prozent; Aufwand: mittel, Motortausch
• Verstopfter Filter und verschmutzter Wärmeübertrager — Messung: Filter-Δp, Schwelle 1,5 mWS; Einsparung: 5–15 Prozent; Aufwand: sehr gering, Reinigung
• Laufradverschleiß und innere Leckage — Messung: Spaltspiel der Verschleißringe, Schwelle 0,70 mm; Einsparung: 5–15 Prozent; Aufwand: hoch, Demontage und Überholung der Pumpe
• Falsche Regelungsart — Messung: Betriebsart und Sollwert am Display der Pumpe; Einsparung: 20–30 Prozent; Aufwand: sehr gering, Einstellung im Menü
• Unnötiger Dauerbetrieb — Messung: jährliche Betriebsstunden und Aufzeichnung für Nacht und Sommer; Einsparung: 10–30 Prozent; Aufwand: gering, Einstellung in der Automation

Die Einsparbänder in der Liste sind nicht multiplikativ, sondern überschneiden sich teilweise. Öffnen Sie das Ventil und bauen einen Umrichter ein, addieren sich die beiden Einsparungen nicht einzeln; der Umrichter enthält die Wirkung der Drosselung bereits. Ein realistisches Vorgehen ist, die größte Einsparung zugrunde zu legen und die übrigen mit halbem Gewicht hinzuzurechnen. In einer Anlage, in der alle acht Ursachen zugleich vorliegen, liegt das gesamte Verbesserungspotenzial typischerweise im Bereich von 45–65 Prozent; Behauptungen, die sich 100 Prozent nähern, sind nicht realistisch.

Auch die Reihenfolge der Umsetzung ist wichtig. Zuerst werden die kostenlosen Maßnahmen umgesetzt: Einstellung der Regelungsart, Nacht- und Sommerprogramm, Filterreinigung, Öffnen des Drosselventils. Diese vier senken in den meisten Anlagen den Verbrauch an einem Tag um 15–25 Prozent. Danach wird die Messung wiederholt; bleibt eine Abweichung, kommen Abdrehen des Laufrads, Motortausch und Umrichter in Betracht.

Beide Lösungen in derselben Anlage zu vergleichen, macht die Entscheidung zahlenbasiert. Referenzanlage: geschlossener Kühlkreis, Auslegungsvolumenstrom 40 m³/h, Auslegungsförderhöhe 35 mWS, 3.000 Betriebsstunden im Jahr, Lastprofil veränderlich zwischen 25 und 100 Prozent. Die beiden Optionen sind im Folgenden getrennt angegeben.

• Pumpe mit konstanter Drehzahl + Drosselventil — Aufgenommene Leistung bei Volllast: 7,36 kW; Aufgenommene Leistung im Teillastbetrieb: bei 50 Prozent Volumenstrom 6,40 kW; Jahresverbrauch: etwa 19.900 kWh/Jahr; Inbetriebnahme: einfach, Ventileinstellung genügt; Zusätzliche Hardware: keine; Störanfälligkeit: gering
• Pumpe mit Frequenzumrichter — Aufgenommene Leistung bei Volllast: 7,55 kW, einschließlich Umrichterverlust; Aufgenommene Leistung im Teillastbetrieb: bei 50 Prozent Volumenstrom 1,35 kW; Jahresverbrauch: etwa 7.200 kWh/Jahr; Inbetriebnahme: Parametrierung, Rampe und Mindestfrequenz erforderlich; Zusätzliche Hardware: Umrichter, EMV-Filter, Kabel, Sensor; Störanfälligkeit: hoch
• Differenz — Jährliche Einsparung: etwa 12.700 kWh/Jahr; Umrichterverlust bei Volllast: 2–3 Prozent, in Anlagen mit dauerhaftem Volllastbetrieb bringt der Umrichter einen Verlust; Kritische Bedingung: Die Anlage verbringt mindestens 40 Prozent ihrer Zeit unter 70 Prozent Volumenstrom

Das Ergebnis lautet: Ist das Lastprofil konstant, spart der Umrichter nichts, sondern verliert sogar 2–3 Prozent. Ist das Lastprofil veränderlich, bringt der Umrichter die größte Einsparung auf der Liste. Deshalb muss die Entscheidung über den Umrichter auf einem gemessenen Lastprofil beruhen; eine Woche lang im Fünfzehn-Minuten-Raster aufzuzeichnen genügt, um sie zu treffen.

Die zweite Vergleichsdimension ist, wo der Umrichter sitzt. Pumpen mit integriertem Umrichter (Grundfos CRE, Wilo Stratos MAXO, Grundfos MAGNA3) beseitigen Verkabelungs- und EMV-Probleme und verkürzen die Inbetriebnahmezeit. Ein separater Schaltschrank-Umrichter (Danfoss VLT AQUA Drive) lässt sich dagegen nachträglich an eine vorhandene Pumpe anbauen und ist bei größeren Leistungen die einzige Option. Eine drehzahlkonstante, vertikale mehrstufige Pumpe Lowara e-SV kann nachträglich mit einem Schaltschrank-Umrichter auf veränderlichen Volumenstrom umgestellt werden.

Die Entscheidung richtet sich nach Gebäudetyp und Lastprofil. Die folgenden Urteile gelten für die fünf Szenarien, denen wir vor Ort am häufigsten begegnen, und jedes ist in einem einzigen Satz zusammengefasst.

• Wohngebäude, einzelne Wohnung, Kombitherme-Kreis — Maßnahme: Ersetzen Sie die alte dreistufige Pumpe mit konstanter Drehzahl durch eine Hocheffizienzpumpe der Klasse Grundfos ALPHA2 und stellen Sie sie auf Δp-v; Erwartung: Absenkung vom Bereich 60–80 W auf den Bereich 5–25 W, etwa 250–350 kWh/Jahr
• Mehrfamilienhaus, 30–60 Wohnungen, Zentralheizung — Maßnahme: Stellen Sie die Regelungsart auf Δp-v, wechseln Sie die Strangregulierventile auf den dynamischen Typ und legen Sie einen Sommerbetrieb fest; Erwartung: 25–40 Prozent Reduzierung, typisch 3.000–6.000 kWh/Jahr
• Bürogebäude, Fan-Coil-Kreis — Maßnahme: Umrichter im Primärkreis, Δp-v im Sekundärkreis, Nacht- und Wochenendprogramm; Erwartung: 40–55 Prozent Reduzierung; Hinweis: Sind Zweiwegeventile vorhanden, liegt die Einsparung im oberen Band
• Hotel und Krankenhaus, 24-Stunden-Nutzung — Maßnahme: Stufen Sie die Pumpen, betreiben Sie zwei kleine Pumpen parallel anstelle einer großen und richten Sie eine Kaskadenregelung ein; Erwartung: 20–35 Prozent Reduzierung; Hinweis: Die Redundanzanforderung bestimmt auch die Umrichterwahl
• Industrieanlage, Prozess mit konstantem Volumenstrom — Maßnahme: Bevorzugen Sie anstelle des Umrichters das Abdrehen des Laufrads und einen IE3-Motor; Erwartung: 10–20 Prozent Reduzierung; Hinweis: Ist das Lastprofil konstant, bringt der Umrichter einen Verlust

Feuerlöschpumpen sind von dieser Liste ausgenommen, und aus Gründen der Energieeffizienz wird keinerlei Eingriff vorgenommen. An Feuerlöschpumpen nach EN 12845 und NFPA 20 wird kein Frequenzumrichter angebaut, kein Drosselventil eingestellt und keine automatische Abschaltung programmiert. Diese Pumpen laufen nur wenige Stunden im Jahr zu Testzwecken, und ihr Jahresverbrauch ist ohnehin niedrig.

Betrachtet man die Anlage als Ganzes, macht der Pumpenenergieverbrauch in der Regel 20–30 Prozent des Stroms der Gebäudetechnik aus. Diesen Anteil zu halbieren bedeutet eine Reduzierung des gesamten Stromverbrauchs des Gebäudes in der Größenordnung von 5–8 Prozent. Um den Platz im Gesamtzusammenhang der Installationsinfrastruktur zu sehen, ist der Gesamtüberblick nützlich (Details: Installationstechnik).